﻿#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;

// 枚举颜色
enum Colour
{
	RED,
	BLACK
};

// 红黑树节点
template<class T>  // 节点类型为T, 这个T既可以是key类型/也可以是pair<K, V>类型
struct RBTNode
{
	T _data;				 // 存储值
	RBTNode<T>* _left;		 // 左指针
	RBTNode<T>* _right;		 // 右指针
	RBTNode<T>* _parent;     // 父亲指针

	// 颜色
	Colour _col;

	// 列表初始化
	RBTNode(const T& data)
		:_data(data)
		, _left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
	{};

};

template<class T, class Ref, class Ptr>  // Ref表示引用类型，Ptr表示指针类型。
struct RBTreeIterator
{
	typedef RBTNode<T> Node;
	typedef RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self;

	Node* _node;
	Node* _root;
	RBTreeIterator(Node* node, Node* root)
		:_node(node)
		,_root(root)
	{}

	Self& operator++()
	{
		// 情况1：如果右边不为nullptr，我们去访问右子树的最左节点
		if (_node->_right)
		{
			Node* minleft = _node->_right;
			while (minleft->_left)
			{
				minleft = minleft->_left;
			}
			_node = minleft;
		}
		else    // 情况2: 如果右边为nullptr，我们去访问祖先节点：该祖先节点的左孩子是我们当前节点父亲，如果为右孩子则继续往上找
		{
			Node* cur = _node;
			Node* parent = cur->_parent;
			while (parent && cur == parent->_right) // 防止parent为nullptr,该节点为_root节点
			{
				cur = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}

		return *this;
	}

	Self& operator--()
	{
		// 特殊处理第一个节点传入的是end()--nullptr
		// 本因该--后是最右端节点，我们需要一个_root节点
		if (_node == nullptr)
		{
			Node* rightNode = _root->_right;
			while (rightNode && rightNode->_right)  // 判断rightNode防止出现无右子树的情况
			{
				rightNode = rightNode->_right;
			}
			_node = rightNode;
		}
		else if(_node->_left)// 情况1：如果左边不为nullptr，我们去访问左子树的最右节点
		{
			Node* minright = _node->_left;
			while (minright->_right)
			{
				minright = minright->_right;
			}
			_node = minright;
		}
		else // 情况2: 如果左边为nullptr，我们去访问祖先节点：该祖先节点的右孩子是我们当前节点父亲，如果为左孩子则继续往上找
		{
			Node* cur = _node;
			Node* parent = cur->_parent;
			while (parent && cur == parent->_left) // 防止parent为nullptr,该节点为_root节点
			{
				cur = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}

		return *this;
	}

	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}

	Ptr operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}

	bool operator==(const Self& s) const
	{
		return _node == s._node;
	}

	bool operator!=(const Self& s) const
	{
		return !operator==(s);
	}

};

// 红黑树
template<class K, class T, class GetKeyofT> // 模版的K传入key用于find和erase，T类型的数据用于insert GetKeyofT从T中获取key用于比较
class RBTree
{
	using Node = RBTNode<T>;
public:
	typedef RBTreeIterator<T, T&, T*> Iterator;
	typedef RBTreeIterator<T, const T&, const T*> Const_Iterator;

	RBTree() = default;

	~RBTree()
	{
		Destory(_root);
		_root = nullptr;
	}

	RBTree(const RBTree& t)
	{
		_root = Copy(t._root);
	}

	RBTree& operator=(RBTree t)
	{
		swap(_root, t._root);
		return *this;
	}

	Iterator Begin()
	{
		// 中序遍历，起始点为最左端节点
		Node* cur = _root;
		while (cur && cur->_left) // 防止_root是空树加上判断
			cur = cur->_left;
		return Iterator(cur, _root);
	}

	Iterator End()
	{
		// 使用nullptr充当end()
		return Iterator(nullptr, _root);
	}

	Const_Iterator Begin() const
	{
		// 中序遍历，起始点为最左端节点
		Node* cur = _root;
		while (cur && cur->_left) // 防止_root是空树加上判断
			cur = cur->_left;
		return Const_Iterator(cur, _root);
	}

	Const_Iterator End() const
	{
		// 使用nullptr充当end()
		return Const_Iterator(nullptr, _root);
	}

	pair<Iterator, bool> Insert(const T& data)
	{
		// 红黑树为空树
		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(data);
			_root->_col = BLACK;
			//return make_pair(_root, true);
			return { Iterator(_root, _root), true}; // c++11支持
		}

		// 红黑树不为空树
		// 找到插入位置
		GetKeyofT gkot;
		Node* parent = nullptr;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (gkot(cur->_data) < gkot(data))
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_right;
			}
			else if (gkot(cur->_data) > gkot(data))
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else {
				// 不实现冗余
				return { Iterator(cur, _root), false};
			}
		}

		// 创建新的节点
		cur = new Node(data);
		Node* newnode = cur; // 防止后面颜色改变问题
		cur->_col = RED;
		// 连接孩子
		if (gkot(parent->_data) < gkot(data))
			parent->_right = cur;
		else
			parent->_left = cur;
		// 连接父亲
		cur->_parent = parent;

		// 调整红黑树的颜色
		// 如果插入后父亲为黑色节点直接返回true即可
		while (parent && parent->_col == RED)
		{
			Node* grandpa = parent->_parent;

			if (parent == grandpa->_left)
			{
				Node* uncle = grandpa->_right;
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					//     g
					//   p   u
					// 只需变色的情况
					// 该情况不需要考虑cur的位置
					parent->_col = uncle->_col = BLACK;
					grandpa->_col = RED;

					// 向上更新
					cur = grandpa;
					parent = cur->_parent;
				}
				else // uncle不存在或者，uncle的col为BLACK
				{
					// parent在grandpa左边并且cur在parent的左边
					//     g
					//   p   u
					// c
					if (cur == parent->_left)
					{
						// 右单旋+变色
						RotateR(grandpa);
						parent->_col = BLACK;
						grandpa->_col = RED;
					}
					else
					{
						// parent在grandpa左边并且cur在parent的右边
						//     g
						//   p   u
						//     c
						// cur == parent->_right
						// 左右双旋+变色
						RotateL(parent);
						RotateR(grandpa);
						// c变黑，g变红
						cur->_col = BLACK;
						grandpa->_col = RED;
					}
					break;
				}
			}
			else // parent == grandpa->_right
			{
				Node* uncle = grandpa->_left;
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					//     g
					//   u   p
					// 只需变色的情况
					// 该情况不需要考虑cur的位置
					parent->_col = uncle->_col = BLACK;
					grandpa->_col = RED;

					// 向上更新
					cur = grandpa;
					parent = cur->_parent;
				}
				else // uncle不存在或者，uncle的col为BLACK
				{
					// parent在grandpa右边并且cur在parent的右边
					//     g
					//   u   p
					//          c
					if (cur == parent->_right)
					{
						// 左单旋+变色
						RotateL(grandpa);
						parent->_col = BLACK;
						grandpa->_col = RED;
					}
					else
					{
						
						// parent在grandpa右边并且cur在parent的左边
						//     g
						//   u   p
						//     c
						// cur == parent->_left
						// 右左双旋+变色
						RotateR(parent);
						RotateL(grandpa);
						// c变黑，g变红
						cur->_col = BLACK;
						grandpa->_col = RED;
					}
					break;
				}
			}
		}
		// 根节点更新为BLACK
		_root->_col = BLACK;
		return { Iterator(newnode, _root), true};
	}


	Iterator Find(const K& key)
	{
		GetKeyofT gkot;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (gkot(cur->_data) < key)
			{
				cur = cur->_right;
			} 
			else if (gkot(cur->_data) > key)
			{
				cur = cur->_left;
			} 
			else
			{
			return Iterator(cur, _root);
			}
		} 
		
		return End();
	}


	// 中序遍历
	void InOrder()
	{
		_InOrder(_root);
		cout << endl;
	}

	// 检查平衡
	bool IsBalance()
	{
		if (_root == nullptr)
			return true;
		if (_root->_col == RED)
			return false;
		// 参考值
		int refNum = 0;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (cur->_col == BLACK)
			{
				++refNum;
			} 
			cur = cur->_left;
		} 
		return Check(_root, 0, refNum);
	}
private:

	// 右单旋
	void RotateR(Node* parent)
	{
		Node* subL = parent->_left;
		Node* subLR = subL->_right;

		parent->_left = subLR;
		if (subLR)
			subLR->_parent = parent;

		Node* pparent = parent->_parent;
		subL->_right = parent;
		parent->_parent = subL;

		if (pparent == nullptr)
		{
			_root = subL;
			subL->_parent = nullptr;
		}
		else
		{
			if (pparent->_left == parent)
				pparent->_left = subL;
			else
				pparent->_right = subL;
			subL->_parent = pparent;
		}
	}

	// 左单旋
	void RotateL(Node* parent)
	{
		Node* subR = parent->_right;
		Node* subRL = subR->_left;

		parent->_right = subRL;
		if (subRL)
			subRL->_parent = parent;

		Node* pparent = parent->_parent;
		subR->_left = parent;
		parent->_parent = subR;

		if (pparent == nullptr)
		{
			_root = subR;
			subR->_parent = nullptr;
		}
		else
		{
			if (pparent->_left == parent)
				pparent->_left = subR;
			else
				pparent->_right = subR;
			subR->_parent = pparent;
		}
	}

	// 中序遍历
	void _InOrder(Node* _root)
	{
		if (_root == nullptr)
			return;
		_InOrder(_root->_left);
		cout << _root->_kv.first << ":" << _root->_kv.second << endl;
		_InOrder(_root->_right);
	}

	// 检查红黑树
	bool Check(Node* root, int blackNum, const int refNum)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			// 前序遍历⾛到空时，意味着⼀条路径⾛完了
			//cout << blackNum << endl;
			if (refNum != blackNum)
			{
				cout << "存在⿊⾊结点的数量不相等的路径" << endl;
				return false;
			}
			return true;
		}
		// 检查孩⼦不太⽅便，因为孩⼦有两个，且不⼀定存在，反过来检查⽗亲就⽅便多了
		if (root->_col == RED && root->_parent->_col == RED)
		{
			cout << root->_kv.first << "存在连续的红⾊结点" << endl;
			return false;
		}
		if (root->_col == BLACK)
		{
			blackNum++;
		}
		return Check(root->_left, blackNum, refNum)
			&& Check(root->_right, blackNum, refNum);
	}

	void Destory(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return;
		// 后序遍历销毁
		Destory(root->_left);
		Destory(root->_right);
		delete root;
	}

	Node* Copy(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return nullptr;
		// 前序拷贝并且连接
		Node* newRoot = new Node(root->_data);
		newRoot->_left = Copy(root->_left);
		newRoot->_right = Copy(root->_right);
		return newRoot;
	}

	Node* _root = nullptr;
};
